【原】换热器设计大全

       首先借此机会在这个平台上恭祝大家新年快乐！希望每一个从事压力容器设计的朋友都能通过自己过去一年的努力在2021年里加薪、升职。

       2020年整体一年工作都比较忙，公众号内容更新得比较少，但还是获得了不少朋友的关注，关注人数从去年的800多人涨到了今天将近2500人，关注的人从中国各大城市到现在遍布海外（从下图中公众号关注的人数量大致可以看到压力容器分布的城市）。由于公众号是公益性的，没有任何收益，但我还是乐于其中，有时候为了更新一篇文章get到一个知识点忙到半夜12点。

        言归正传，最近几年从事有色金属的压力容器设计，换热器设计相对来说较少。但为了不被昔日“换热器小王子”的美誉打脸，我觉得还是要在2021年第一天证明下自己。

换热器类型

固定管板式	U型管式	浮头式	填料函式
螺纹锁紧环	发卡式	缠绕管式	空冷器
夹套式	套管式	沉浸式蛇管	喷淋式
折流杆式	螺旋板式	板式	热管式

换热管种类

螺纹管	波纹管	波节管	翅片管
T型槽管	内波外螺纹	内槽管	套装翅片管

       由于度娘里有很多介绍各种换热器原理及功能的文章，本文就不再赘述了。我主要从设计方面来谈谈自己的对于不同换热器设计的一些思路。

        1. 固定管板式换热器

       难点：1.封闭缝焊接接头系数  2. 双管板换热器设计  3. 膨胀节的设计

       1. 换热器壳程筒体最后一道合拢缝是通常无法进行检测的。管板与壳程筒体环向焊接接头取0.6还是1.0民间一直有争议。

管板与壳程筒体环向焊接接头可能为B类，也可能为C类，如下图所示。因为在国标中，只有A、B类对接接头有焊缝系数这个概念，而角接接头是没有所谓焊缝系数的（GB151-99释义中有说明）。制造厂大部分的做法是低于4MPa的换热器取1.0，高于4MPa的换热设计成对接结构取0.6。参照附录I 管板与管箱、壳体的焊接连接。

     注意，这个环向焊缝系数只用于校核壳程圆筒轴向拉应力；对于壳程圆筒轴向压应力没有影响。

    2. 在多晶硅（下文链接）行业中，由于物料与水反应会产生盐酸，硅酸，从而引起腐蚀，甚至爆炸，为了避免物料的混合，故多采用双管板换热器。

       多晶硅项目设备设计的特殊规定

       由于我们现在所使用的国内强度计算软件SW6已经具有计算双管板的功能，所以在计算上不会有太大的难题，我们主要是考虑下双管板的连接结构及尺寸要求。但对于按照ASME或EN13445规范设计的压力容器，由于PV Elite 和VVD软件没法建模双管板换热器，那我们该怎么计算呢？

固定双管板工况计算：

① 外管板兼做法兰计算

② 内管板不兼做法兰计算

③（外管板）隔离腔作为壳程设计压力

④（内管板）隔离腔作为管程设计压力

    GB151中规定，当下述3个条件中任何一个不满足时，需要考虑加膨胀节

1. 换热器的壳体和管束的轴向应力满足强度条件：

壳体轴向应力         σs≤3[σ]sτ υ 

管束轴向应力         σb≤3[σ]bτυ

2.换热器的壳体和管束的轴向压缩应力应满足稳定条件： 

壳体的压缩应力︱Nσs + Tσs︱≤B 

管束的压缩应力 ︱Nσb + Tσb︱≤[σcr]

3.管板与换热管间的拉脱力q不得大于许用拉脱力[q](胀接)或3[q](焊接）

       由于大部分设备设计的人膨胀节的知识都相对比较薄弱，用软件计算时候常常会出现一些问题，要么薄膜应力不过，要么平面失稳压力超标。花了很多精力在软件调试上却找不到方向。

问题1：波纹管周向薄膜应力不过， 波纹管组合应力超标，造成疲劳寿命不合格。   

方法：控制位移量、增加波数、增加波高，也可做多层波纹管。

问题2：平面失稳压力超标。

办法：降低波高、增加壁厚、调整材料的设计温度下屈服强度（不超过1.5倍）。

      固定管板换热器还有一些比较典型的结构：

螺旋折流板换热器、薄膜蒸发器（下文链接）

螺栓折流板换热器 

薄膜蒸发器

 2. U型管式换热器

    难点：1. 双管板换热器设计；2.U型管的交叉设置；3. 釜式重沸器设计

   1. 双管板换热器可以参照上面固定管板的思路理解，此处就不再赘述了。

      2. U型管换热器交叉布管隔板槽间距及R值：∅25换热管：90.5/50.6 ；∅19换热管：75/43.3。数据就是法宝，懂得人自然懂。

      特别说明的一点，GB/T151-2014中6.4.3对于U型管弯管半径Rmin一般为2倍的换热管外径，但是API660-2015中7.5.1.4 条规定弯管半径为1.5倍的换热管外径！

       我曾经设计过一个台湾的工程项目，客户工程文件规定弯管半径为1.5倍的换热管外径。让采购部咨询了弯管厂说1.5倍的弯管是可以弯制，看来国标还是偏于保守（补充说明：GB/T151比API660更新迟一年，没来得及copy）。

     3. 釜式重沸器的关键点就是椎壳的计算（下文链接），制造过程中鞍座的垫板放样也是一大难点。

    锥壳支撑线计算

3. 浮头式换热器

难点：1. 单管程浮头  2.折流杆换热器设计 3.换热管轴向压应力校核不合格

    1. 单管程浮头换热器最大的难点在于进出口膨胀节的计算，一般的是找膨胀节设计人员辅助计算。球冠型封头开孔补强也是比较棘手的一件事，最简单的做法就是进行有限元应力分析。

     2. 折流杆换热器主要难点在于折流杆的布置。具体结构可以见我之前分享的洛阳院图册（下文链接）。

洛阳纸贵：洛阳院换热器图册大放送

    3.  浮头冷凝器、重沸器（作为设计人员应该学会通过进出口温度么去判别换热器类型）中，换热管受轴向压缩力在较大折流板间距时，经常出现大于[δ]cr的情况，但由于换热管在换热器内失稳是有约束的，所以正常操况下并未发生失稳破坏（负值不合格）。对于这一点GB151-99释义中对此有说明。

      但是GB/T151-2014释义并未做此说明，因此在使用SW6计算时候如果客户要求严格，还是有必要将该问题解决掉。通常可以从以下两个方面考虑：

1.提高换热管的轴向压应力

 ①缩短折流板间距，减少换热管当量长度，但是折流板间距是工艺计算的，一般不允许设备修改，所以这一点很难实现。

  ②增加换热管壁厚，如果从成本上考虑，很多制造厂实现可能性也不大。 

2.提高管板的刚度。

  ①增加管板厚度

  ②增大管间距，管间距是工艺计算的，一般不允许设备修改，所以这一点也很难实现。

4. 填料函式换热器

难点：填料函式换热器管头压力试验应用

     GB151中规定外填料函式热交换器设计压力不宜高于2.5MPa,但我见过的国内著名的沈鼓集团设计的图纸设计压力在4MPa以上。

     填料函式换热器广泛应用于浮头换热器管头的压力试验应用，下图是我早期的一些管头试压工装的笔记。

 5. 空冷器

难点：1. 表面蒸发式冷凝器设计  2. 方形管板的计算

1. 表面蒸发式冷凝器综合了风机、翅片管管束、光管管束、捕雾器、喷淋管、水箱等部件。对设计人员综合能力要求较高。

   2.  SW6对于方形管板的计算现在越来越完善，加上一些人工编写的Excel，所以计算应该不是什么大问题。

 6. 螺旋板式换热器

难点：1. 通道的计算   2. 制造

1. 差不多通过EXCEL公式，然后借助SW6就能完成螺旋板式换热的计算。

2. 螺旋板换热器的制造就是利用我们常用的三辊卷板机稍加改造即可。辊子半径按照螺旋折流板内筒半径。

    再写下去就到1月2日了，眼圈都红通通的了，那么就此罢笔了。

GB、ASME、EN13445、API

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